I. Définition.

Les vagues sont le déplacement à la surface des océans d'ondes périodiques générées par le vent.
Les vagues marines ont une grande variété de formes, de dimensions et de vitesses de propagation. Leur comportement peut être modélisé à partir des formes ondulatoires, beaucoup plus simples, utilisées par les mathématiciens, et analysé en termes de période, vitesse et écartement (longueur d'onde). Pour les grandes vagues océaniques, la vitesse de propagation est proportionnelle à la période : plus les vagues sont espacées, plus elles voyagent vite. Une autre équation établit que la longueur d'onde est proportionnelle au carré de la période.

Mouvement des particules d'eau dans une vague.

Il faut faire la distinction entre les vagues ordinaires, dues à un simple vent sur la mer, et la houle causée par des courants atmosphériques éloignés. La hauteur, la longueur entre les crêtes, la période et la direction des vagues sont très variables. Le temps ou durée d'action et la distance ou longueur d'action permettent d'évaluer la force du vent de mer.

II. Genèse des vagues.

Parmi les différents types de vagues, on nomme houle forte les ondes d'une période moyenne de 20 s, qui se traduit par des écartements de plus de 600 m et des vitesses de propagation supérieures à 30 m/s. Les vagues de houle ordinaire, plus rapprochées, ont une période d'environ 10 s pour un écartement de 150 m et une vitesse de 15 m/s. Les vagues de vent marin, d'une période de 7 s, ont un écartement de 75 m pour une vitesse de 10 m/s. Enfin les vagues du littoral, à l'intérieur des baies, ont des périodes plus courtes, de l'ordre de 3 s, ce qui se traduit par des écartements de 15 m et des vitesses de 5 m/s. Les rides à la surface des étangs ont une période de 0,5 s, une longueur de 0,4 m et une vitesse de 0,8 m/s.

Les vagues sont générées par le vent (1, voir image ci-dessus). En l'absence de vent les vagues continuent à se propager librement, c'est ce qu'on appelle la houle (2). Aux abords des côtes, ces vagues sont modifiées par la présence du fond (3, pour des profondeurs inférieures à 300 m) et en particulier la rugosité du fond (rides, roches) qui peut être elle-même due aux vagues. Enfin les vagues déferlent (4) sur la plage ou les hauts-fonds, récifs et autres, pour des profondeurs de 1 à 20 m, perdant toute leur énergie qui est en partie communiquée aux courants.

Ces courants et les vagues sont responsables de l'essentiel des mouvements de sédiments sur les plages : érosion, formation de barres ...
 

En pratique ces 4 zones peuvent se chevaucher, la "mer du vent" est souvent mélée à la houle, et le vent peut souffler sur la zone de déferlement près de la plage, générant des vagues localement, près du rivage. La propagation des vagues est influencée par les courants et les variations du niveau d'eau, mais à leur tour les vagues modifient les courants et le niveau moyen de l'eau.

Ces effets, en plus des forces exercées par les vagues sur les structures et les sédiments, expliquent le grand intêret porté aux vagues par les ingénieurs civils. Même si les surcôtes dues aux vagues sont modestes (quelques dizaines de centimètres tout au plus) elles se superposent aux marées, aux surcôtes dues au vent et à l'effet de baromètre inverse.

La hauteur des vagues (la distance verticale entre un creux et une crête) est plus difficile à modéliser. Elle est principalement déterminée par la force du vent, le temps pendant lequel il souffle et la longueur du plan d'eau sur lequel il s'exerce. En pleine mer, l'interaction est souvent très longue, et les vents d'une dépression peuvent générer des vagues de période et d'amplitude élevées. Dans leur ensemble, les vagues se déplacent dans une direction proche de celle du vent : lorsqu'elles quittent la zone de genèse, elles continuent sur leur lancée sous forme de houle.

III. Les vagues en mouvement.

Quand les vagues de houle s'éloignent de la zone de genèse, celles ayant la plus longue période (et la plus grande longueur d'onde) se déplacent le plus vite, et arrivent donc les premières aux stations côtières et aux balises de mesure. En mesurant l'intervalle de temps les séparant de l'arrivée des vagues de houle plus serrées et plus lentes, il est possible d'estimer la distance entre la station de mesure et la zone de genèse : on parvient ainsi à détecter des systèmes de houle jusqu'aux antipodes de leur lieu d'origine.

L'évolution du spectre des vagues par rapport à la vitesse du vent et à son domaine d'action est aujourd'hui assez bien comprise. À partir des données météorologiques, des algorithmes informatiques peuvent générer des prévisions utiles sur l'état de la mer et des vagues. Le résultat de ces prévisions peut être confronté aux observations visuelles des marins et aux relevés des instruments embarqués à bord des balises et des bateaux de recherche. La hauteur des vagues peut d'autre part, être mesurée depuis un satellite en orbite, au moyen d'un altimètre radar ou laser : la précision des mesures est aujourd'hui de l'ordre du centimètre.

IV. Un transport d'énergie.

Les vagues transportent l'énergie du vent : une partie de celle-ci se dissipe dans les moutonnements et autres turbulences en cours de route, et la fraction résiduelle se dissipe dans les vagues déferlantes de bord de côte et en friction exercée sur le rivage. La conversion d'une partie de cette énergie en électricité a été mise à l'étude et plusieurs types de dispositifs mécaniques ont été conçus pour récupérer l'énergie des vagues de houle. Les problèmes d'opération et d'entretien sont toutefois considérables, et aucun dispositif n'est encore en exploitation régulière.

Lorsque la longueur d'onde d'une houle côtière est inférieure à la profondeur de l'eau, elle est dite courte et interagit peu avec le fond. Mais dans les houles longues, où la longueur d'onde est supérieure à la profondeur de l'eau, la vitesse de déplacement est limitée par cette profondeur. De telles vagues longues incluent tant les oscillations locales, dans les ports et les baies, que les systèmes géants causés par les marées.

V. Particularité.

Un exemple particulier de vague longue est le tsunami (vague géante en japonais), train d'ondes généré par une éruption ou tremblement de terre sous-marin et qui parcourt l'océan à des vitesses élevées (de l'ordre de 200 m/s). Bien qu'ils soient de faible amplitude en pleine mer, les tsunamis ont des effets dévastateurs lorsqu'ils atteignent la terre ferme et que leur amplitude croît avec la diminution de la profondeur de l'eau : les déferlantes peuvent atteindre plusieurs dizaines de mètres de hauteur, comme sur les côtes du détroit de la Sonde après l'éruption du Krakatau en 1883.

Un réseau de surveillance mondial est chargé de détecter les tsunamis et de suivre leur trajectoire.

Réf.:"vagues," Encyclopédie Microsoft® Encarta® 2002 en ligne
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sources http://users.belgacom.net/renedec/pagesci12.html

Historique.

Grecs et romains furent les premiers à étudier les marées, poussés par les nécessités de la guerre et du commerce sur les côtes de l’atlantique, en Europe, Afrique, mer rouge et océan indien où celles-ci sont importantes.
Aristote, vers 350 avant J-C attribua les marées à la lune.
La relation entre l’âge de la lune et l’amplitude de la marée, les effets de la déclinaison de l’astre, mais aussi la concordance de leurs variations diurnes, semi-diurnes et mensuelles avec les mouvements de la lune et du soleil furent observés bien avant le début du XVIIème siècle où Képler émit le premier l’hypothèse que les eaux de mer devaient toujours se diriger vers la lune.
Il dût abandonner sa théorie devant les critiques de Galillée qui attribuait les marées au mouvement de translation et de rotation de la terre.
 

Ce fut Newton qui, en 1687, posa les fondements véritables de toutes les recherches ultérieures en rattachant la théorie des marées à son grand principe de la gravitation universelle. Il admet que la cause des marées réside dans l’attraction exercée sur les molécules des océans par la lune et le soleil, seuls astres à considérer en raison de leur proximité où de leur masse.
Il proposa la théorie statique, qui suppose que la surface des mers est une surface équipotentielle, mais aboutit à un échec.
La mécanique des fluides était trop peu avancée à son époque pour qu’il puisse donner une théorie plus approfondie des marées.
Il fallut attendre près d’un siècle pour qu’un progrès appréciable soit réalisé dans l’explication du phénomène.
Laplace, au quatrième livre de la mécanique céleste envisagea le problème sous son aspect dynamique.
La théorie dynamique qu’il fut le premier à formuler et qui est à la base de tous les développements ultérieurs s’appuie sur deux principes:
-celui des oscillations forcées
-celui de la superposition des petits mouvements.
L'application de ces principes permis à Laplace d'établir une expression de la dénivellation et de la distance de l'astre.
Cette formule dite formule de Laplace admet que les amplitudes sont proportionnelles à leur valeurs théoriques et que les marées correspondantes sont déphasées par rapport à la marée théorique.
Après Laplace, Whewell envisage la marée sous la forme d'ondes parcourant les océans.
Airy reprit cette conception et étudia la propagation des ondes-marées notamment dans les courant et les rivières en tenant compte des frottements.
 

La formule de Laplace se prête mal aux prédictions des marées à forte inégalité diurne. Pour résoudre ce problème, lord Kelvin, en 1870, décomposa le potentiel de la force génératrice de la marée en une somme de termes périodiques.
Il inventa une machine mécanique, le Tide Prédictor, pour faire la somme de tous les termes et tracer la courbe de marée.
A la fin du XIXème siècle, la théorie dynamique fut reprise par Poincaré qui indiqua les méthodes de calcul au moyen desquelles on pourrait obtenir la solution du problème des marées sur un globe où les océans sont séparée par des continents.
Hough, astronome au Cap, compléta la théorie de Laplace en déterminant la nature et la période des oscillations libres des océans.
Enfin, aux Etats-Unis, Rollin A. Harris (1897), montra l’importance des phénomènes de résonances dans la formation des marées et parvint à expliquer de manière satisfaisante les particularités du phénomène dans divers ports du globe.

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I. La marée.

C'est le phénomène de montée et de descente périodique du niveau des eaux océaniques, provoqué par l'attraction gravitationnelle de la Lune et du Soleil sur la Terre.
Parmi les phénomènes de la nature, la marée est l'un des plus majestueux par son ampleur et par sa puissance; l'un des plus surprenants par sa régularité et par la discrétion de ses causes. On comprend sans peine non seulement qu'il se soit imposé à l'attention des navigateurs mais encore qu'il ait, depuis la plus lointaine antiquité, suscité les recherches des savants les plus émérites.

Chenaux des marées

Le flux et le reflux de la mer créent un milieu particulier. Les courants de la marée redistribuent en permanence une grande quantité de nutriments et réapprovisionnent les plages. Les organismes marins qui vivent dans ce milieu doivent être adaptés à la fois aux chocs des vagues et aux passages fréquents de l'air libre à la submersion complète. Les étoiles de mer utilisent une ventouse ; les bernacles se fixent en permanence sur les rochers ou les bateaux et les larves s'ancrent fermement au fond de l'eau. Quand la mer se retire, des poches d'eau demeurent derrière

des roches, entre des cordons de sable et des bassins naturels. Il s'agit parfois de simples flaques, comme celle que l'on voit ici.

II. Marées lunaires.

La Lune, qui est beaucoup plus proche de la Terre que le Soleil, est la principale cause du mouvement oscillatoire de la mer. Quand la Lune se trouve au-dessus d'un point donné du globe terrestre, elle exerce sur celui-ci une attraction de la masse océanique vers ce point, où il se forme un dôme ; de ce dernier résulte un second dôme, situé exactement à l'opposé du premier sur le globe (Gravitation). L'attraction de l'eau vers ces deux dômes, dite onde de marée, prend le nom de marée directe pour le point se trouvant sous la Lune et celui de marée opposée pour l'autre ; ces deux régions sont alors le siège des hautes eaux, tandis que les zones qui en sont le plus éloignées connaissent une période de basses eaux. Marées hautes et marées basses alternent suivant un cycle perpétuel. La variation du niveau qui sépare la marée haute de la marée basse est l'amplitude de marée, ou marnage. La plupart des côtes connaissent un rythme semi-diurne : deux marées hautes et deux marées basses par jour lunaire (24 h, 50 min, 28 s), influencées l'une par la marée directe, l'autre par la marée opposée. Ailleurs, c'est le rythme diurne qui l'emporte (une seule marée par jour), voire le rythme mixte (alternance sur l'année des rythmes diurne et mixte). Sur les côtes atlantiques françaises, les deux marées diurnes ont approximativement la même amplitude, ce qui n'est pas partout le cas (on parle alors d'inégalité diurne). La puissance d'une marée s'exprime par un coefficient qui va de 20 à 120.

III. L'influence solaire.

Le Soleil donne lui aussi naissance à deux ondes de marée diamétralement opposées. Mais, en raison de son éloignement, son pouvoir d'attraction ne représente que 46 p. 100 de celui de la Lune. De la somme des forces exercées par les deux astres résulte une vague constituée de deux ondes. Pendant les périodes de nouvelle et de pleine lune, au moment où le Soleil, la Lune et la Terre sont alignés, les marées lunaire et solaire coïncident, provoquant un marnage exceptionnel dont les pêcheurs profitent à marée basse (des zones rocheuses d'ordinaire recouvertes se découvrent). Cependant, lorsque la Lune est dans le premier ou le troisième quartier, les axes Terre-Lune et Terre-Soleil sont perpendiculaires, diminuant ainsi l'amplitude de la marée terrestre : c'est la période dite de morte-eau. Vives-eaux (grandes marées) et mortes-eaux se produisent environ 60 heures après les phases correspondantes de la Lune : cette période intermédiaire correspond à l'âge de la marée, ou âge d'inégalité de phase. L'intervalle de temps qui sépare le passage de la Lune à un point précis et la marée haute qui s'ensuit au même endroit est l'heure du port, ou intervalle de marée haute ; à l'inverse, l'intervalle de marée basse est la période qui sépare le passage de la Lune par un point et la marée basse suivante.

IV. Courants de marée.

Les mouvements latéraux et horizontaux qui accompagnent la montée et la descente verticale des eaux marines sont communément appelés courants ou flux de marées ; ils ne doivent pas être confondus avec les courants océaniques tels que le courant du Labrador ou le Gulf Stream. Dans les zones océaniques européennes, lorsque la marée monte (flux), soit pendant 6 h 12 min environ, les courants de marées se dirigent vers la côte. Pendant le reflux, ou jusant, c'est la situation inverse, qui dure le même temps. Pendant la période dite de renversement des marées (à marée haute comme à marée basse), l'eau ne monte ni ne descend : c'est l'étale.

Réf."marée," Encyclopédie Microsoft® Encarta® 2002 en ligne
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Marées terrestres et gravimètres.

On l’ignore souvent, mais deux fois par jour, la croûte terrestre monte et descend d’une quarantaine de centimètres à cause de l’attraction de la Lune et du Soleil, au même titre que la mer et les océans. Ces déformations, minimes par rapport au rayon terrestre de 6378 km, correspondent aux marées terrestres. Même s’il étonne souvent, ce phénomène est connu depuis longtemps. Déjà, les Romains avaient remarqué que le débit des sources changeait en fonction des heures de la journée, sous l’action des dilatations cubiques de la croûte terrestre. Par ailleurs, comme chacun le sait, les océans, mais aussi l’atmosphère sont également affectés par les forces de marées. En raison de la forme et des dimensions des bassins océaniques, et des déplacements des masses d’eau, ces phénomènes sont extrêmement complexes. Les marées terrestres et océaniques sont cependant très liées : par exemple, le poids des masses d’eau en mouvement sur le fond des mers engendre une déformation de la croûte terrestre qui se prolonge en pleine terre. A Bruxelles, par exemple, des 40 cm de marées terrestres, 2 cm seraient imputables aux effets océaniques, et ce phénomène atteint 20 cm à l’extrémité des Cornouailles.

  Sources : http://users.belgacom.net/renedec/pagesci11.html